新型多功能材料的发展及其在国防科技中的应用
毛彭龄
(上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404)

1　引言

　　各类新型结构和多功能复合材料在制造国防系统(包括兵器与地面车辆、军用飞机、导弹与航天器、舰船、核武器及相关电子设施或设备)中组合进各种先进功能．使结构―功能或多功能材料及其相关材料已在设计与制备国防科技中得到广泛应用。
　　新型结构和多功能材料主要包括：
　　(1)轻质高性能结构复合材料，目前研究重点是嵌入多功能器件的新型结构复合材料；
　　(2)多功能结构材料，包括聚合物、金属、陶瓷等；
　　(3)有关粘结剂与涂层，各种功能则包括作动(控制位置、形状或载荷)、电(提供绝缘或导电途径)、热(为进行热传导控制)、健康(为监测变形或损伤)、隐身(为管理电磁或可视信号)或自修复(为研制那些修理局部损伤的嵌入装置)等。
　　新型结构和多功能材料的核心内容在于材料的结构(承载或支撑)功能与其它多种所需功能的有机结合与集成。结构―功能―体化材料是构成各类现代武器装备的重要材料，它们在承载的同时还可实现某种其它特殊功能，如透波、吸波、防热、抗核等，对实现武器装备的高功率、高效率、轻质、高可靠、低信号特征具有重要意义，代表着包括聚合物、金属、陶瓷等未来新的发展方向的多功能结构材料。
　　有关结构与多功能材料的新兴设计与制备技术主要包括：
　　(1)计算机辅助材料设计：
　　(2)新型结构与多功能材料的选择与分析技术；
　　(3)材料寿命预测技术；
　　(4)无损检测与评价技术。

2　新型结构和多功能材料的发展

2.1　国防科技对新型结构和多功能材料的需求
　　国防科技需要那些比现有材料质量更轻、刚性更好、强度更高的材料，以及能够长期暴露在高温环境中而性能不会严重恶化的材料，它们是提高车辆或飞行器的可移动性、机动性、可运输性和生存性所需的。
　　目前，国防科技需求已经把重点放在所有各类装备和结构材料的全寿命成本上，智能材料一直受到极大的关注，近年来国防技术一直需要各种多功能材料，例如增强纤维能够传送电池电源的高强度和高刚度复合材料。所有在高温下工作的装置都需要能应对各种各样设计需求的具有特种性能的材料，强度和刚度就是其中两项性能，其它性能包括抗蠕变和抗疲劳性能，加上良好的抗氧化和耐腐蚀性。军事系统包括飞机涡轮发动机和核反应堆都需要新型高温材料。至2020年，材料研制的合理目标将是整个材料范围内抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度提高25%，而密度降低25%，而且需要能够在约1000℃的温度下保持抗氧化性不降低的材料；还需要具有与高温合金同样密度（不大于10g/cm³）、用于约1200~1400℃高温的材料。空间构架、飞行器本体结构、筒状壳体结构等也需要高模量材料。至2020年将需要许多模量提高20%~40%的材料，而这些模量目标很可能仅仅采用复合材料就能实现。
2.2　结构和多功能材料的发展现状和趋势
　　美国未来国防材料研究委员会结构和多功能材料小组着眼于新兴材料与工艺和多功能性（健康监测、热载荷消散和电磁辐射管理），特别关注用于未来研究的领域――多功能性与结构相结合的复合材料。该小组确定了4个研究与发展机会领域：
　　（1）计算机辅助材料设计；
　　（2）应用引起的材料变化；
　　（3）复合材料设计与研制；
　　（4）将无损检测与评价并如初始设计。
　　该小组将本项研究的时间框架确定到2020年，关注点集中于期望在未来20~25年间其主要特性可能提高（20%~25%）的材料上，而复合材料要比均质材料可能性大得多。
　　上述4个机会领域的重点事多功能材料的设计。这些研究领域的投资所引起的进展将会产生许多所需的国防新材料，缩短研制周期，降低研制成本，节约研制所需的资源；将设计准则现代化；预测、测量和验证多功能性；在使用过程中连续监测健康状况、评价性能；预测剩余寿命，多功能性的概念覆盖所有4个机会领域。这就需要使具有固有多功能性的材料的应用潜力扩大到大程度，也需要设计和制造具有主动多功能性的复合材料。
2.3　计算机辅助材料设计成为有效工具将缩短材料研制周期
　　计算材料科学在未来材料研究中占有重要的机会，因此计算机辅助材料设计是达到下列目的的佳机会领域：
　　（1）设计更好的材料；
　　（2）更好地了解材料的性能；
　　（3）利用材料设计更好的结构；
　　（4）缩短从概念论证到完成的研制周期。
　　把新材料引入国防系统受到的一项严重限制是研制周期太长，通常达15年之久，造成设计过程复杂化的原因是材料具有许多力学和物理性能。而新型材料研制中，一种性能的提高往往会引起另一种性能的降低，因而材料设计实际上是一种折衷过程，研制周期包括材料的顺序合成、多种性能与组合的扩大试验。而计算材料科学的建立，将可以用机理组成的材料模型取代目前有限元法(FEM)模拟中使用的经验模型。从而形成一种预测工具，使材料设计人员能缩短实验(室）合成和试验阶段的时问，从而缩短研制周期和降低研制成本，至少可达一个数量级。
　　关键问题是计算工具的开发，材料的性能是由电子的量子力学相互作用所确定的。现在已能够很好地建立由几百个分子构成的系统在绝对零度下的这种相互作用的模型。未来20年。随着计算速度的进展，将可以大大拓展这种能力。电子计算扩展成有用的组成模型是通过一系列各种尺寸的模型来实现的，材料建模过程近期的目标是能够进行领域级别的预测计算。
　　今后20年计算机辅助材料设计的困难在于：多组元材料中平衡相稳定性的预测；热机械处理(非平衡相变和显微组织演变)的预测；力学行为如变形和断裂的预测等。计算过程必须至少在前两项预测中获得成功，然后就能建立材料成分预测模型，从而实现寿命周期特性预测。
2.4　以模型为基础预测寿命周期可大幅度降低研制成本
　　寿命周期设计的关键是建立一个复杂先进的系统模型，该模型能够预测整个使用寿命周期内的系统性能与可靠性、系统成本以及系统安全。材料模型是建立系统模型的关键部分，利用材料模型可以选择材料的成分和工艺。美国已开展了有关以模型为基础的寿命周期预测研究，在研究时需要了解作用在工程材料上的各种现象如腐蚀、蠕变、应力与蠕变断裂、电作动、辐射效应和长期高温效应，以便研制原位与其它实时性能传感器和建立以机理科学为基础的特性模型。利用这样的传感器信息来预测材料的寿命周期特性。研究目标是建模和建立计算原理，从而对飞机、车辆、航天器或舰船等系统中单个部件进行以历史为基础的可靠性预测，可以大幅度降低工程装置的维护成本并提高其安全和可靠性；同时多学科虚拟设计环境可以大幅度降低工程部件的设计与试验、样机建造、制造和应用成本，并加快研制速度。所期望的效益是在研究飞机工业独立实例中使研制成本降低三分之一，研制周期缩短50％左右。

3　新型多功能材料具有各种实用的国防科技功能潜力

　　多功能材料除具有典型的结构功能――承载或定形外，还有其它功能，如作动、电、热、健康、隐身或自修复。多功能材料的概念适用于各类主要材料，包括聚合物、金属、陶瓷、复合材料以及“灵敏”或“智能”材料。
3.1　灵敏和智能材料有革新的进展
　　适应性结构使灵敏材料、传感器网络和计算与控制能力形成一体化。灵敏材料典型实例包括压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金(SMA)、仿生与导电聚合物、电致变色涂层和磁流体与电流体等。灵敏或智能材料在材料设计或应用方面将有革新性改进，在SMA(形状记忆合金)方面，今后20年大的跨越将集中在具有磁性、薄膜与多孔显微结构的SMA和SMA复合材料领域。电作动聚合物可以用于光与化学传感器。也可用于作动器，它们无疑是具有巨大增长潜力的多功能材料，能够在自修复复合材料中发挥作用。电流变体的固体液可控转换特性使其具有广泛的军事应用潜力，可以解决如潜艇的隔音、消声，直升机旋翼的共振与飞行控制，导弹低温燃料的输送及飞行稳定控制等一系列难题。近
年来磁流体研究活动增加。美国陆军研究办公室(ARO)资助的阻尼器研究可用于地面车辆悬浮系统、直升机系列炮减振器和直升机转子系统：美国还利用磁流变体在瞬问即可实现液-固转化的特性开发了军人防弹内衣。
3.2　复合材料为材料设计与功能进展提供大机会
　　复合材料可以通过简单地嵌入传感器、作动器和其它元件获得多功能性。近年来纳米结构复合材料备受重视。可将碳纳米管(CNT)或其它纳米粒子植入基体材料，并以较低的含量(如l％或更低)达到渗透极限值。如果能够控制、集成和组织纳米级增强剂的定向和图样形成，那么通过网络就能为复合材料赋予健康监测、监视和隐身的功能。特别是，聚合物纳米级增强剂能够改进基体性能，甚至达到提高压缩强度的程度；而纳米管的缠结网状组织也可以增加材料的韧性。此外，对纳米粒子如剥离的石墨和纤维素微丝的初步研究表明，这种成本极低的系统可以提供能与碳纳米管相比的多功能性的提高。
　　目前聚合物基自修复复合材料已成为研究热点，主要方法包括液态纤维法、微胶囊法和热可逆交联反应法。材料的自修复增加了热固性聚合物广泛应用于电子以及航空航天等领域的可靠性和使用寿命，由于可减轻像湿气膨胀和腐蚀开裂等有害环境的影响，可使结构件的使用寿命增加2~3倍。聚合物基复合材料自修复的突破能产生一大批结构用自修复聚合物、复合材料和胶粘剂。自修复也同样适用于包括陶瓷、玻璃之类的大范围脆性材料。在自修复研究中还有金属基复合材料(其中包括SMA)，智能材料结构有可能通过采用SMA来设计具有很高损伤容限和自修复能力的材料，SMA能在由裂纹引起的应力集中下经历相变。
　　耐火聚合物可用作复合材料的基体材料。在飞机、航天器、舰船和其它车辆上使用这些材料将会降低重量和提高安全。当采用耐火基复合材料制造的飞机燃烧时，这类材料将会降低石墨纤维释放到空气中的危害。
3.3　粘结剂与涂层用途广泛将会取得显著进展
　　粘结剂与涂层在军事系统中用于部件连接、密封、防热或隔热、利用光刻蚀形成图样。以及增强功能和制造能力。粘结荆也用于各类复合材料的基体材料，包括固体推进剂和炸药以及高温结构材料。我们可以充满信心地期望在今后发展的20年中，这一领域将会取得显著进展。
　　目前人们可以利用现代化仪器来设计粘结剂系统，表面化学改性也得到广泛应用。从改善粘合的表面涂层到改变表面化学组成的化学反应。利用光刻蚀方法能够设计表面形状特征，这种特征能控制浸润性并促进粘结。预计高温粘结剂和密封剂将会取得显著的进展，而有机，无机材料的混合也将扩大粘结剂系统的应用。复杂电路中的芯片需要有可修复的粘结剂系统。
　　用于各种军事系统的涂层材料近年来获得很大发展，包括用于舰船的新型环保防腐防污涂料(尤其是纳米涂料)、用于地面兵器的智能涂层、用于飞行器发动机高温环境的防热涂层、用于各种武器装备的隐身(吸波)涂层等。
3.4　无损检验与评价
  将无损检验(NDI)，无损评价(NDE)纳入材料与结构的初始设计中，将为所有新型结构的连续健康监测创造条件。嵌入结构的传感器的尺寸必须很小，因而将需要许多新型传感器。而且将需要便携式先进能源，如x射线和中子源。以允许对结构进行现场评价，有时还需要在热结构中置入一些能源，这将能实时发现来自材料(特别是多功能材料)系统的信息，
而这种信息将支持工程设计与研制所有阶段的管理决策。

4　优先发展的新型结构和多功能材料领域

　　计算材料设计与预测计算机辅助材料设计的目标，是通过把组成模型集成到使用有限元法计算的框架结构中来实现新材料的研制。为了建立用于各类材料的随时间、温度和尺寸变化的材料模型，必须描述级数据(电子、原子、位错和显微结构)，在研制前就要预测材料性能。这将不仅降低材料成本，也将加速材料研制，特别是加速把新材料和材料系统引入国防科技系统。
　　使用引起的材料变化这是一个革新的概念，其基本原理是“材料和结构应当基于实际使用中的功能而不是材料的初始性能来设计”，因而必须了解材料性能和特性随时间发生的变化。其优点是：在设计阶段通过虚拟工程和模拟降低材料和系统的研制成本，并加速其研制进度，从而获得更佳特性和更长寿命的设计。因此，必须扩大材料应用的科学基础：必须更好地了解非平衡材料和结构；必须预测使用中的载荷，从而要求新的以模型为基础的寿命周期感知与预测。
　　一些多功能均质聚合物有可能用作结构复合材料的基体(相)，使复合材料的强度、韧性、刚度、密度、耐环境与耐高温性均获得20％~25％的改善，从而导致国防科技系统的灵活性、机动性、可生存性和可运输性的提高。新型多功能复合材料的发展前途无量，种类繁多，可以产生未来国防科技系统所需要的各种功能。至少在概念上，可以通过采用多功能基体和多功能增强剂来设计具有各种级别多功能性(三功能、四功能、五功能等)的几乎数目无限的复合材料。一些实例可能包括：基体中含有对热、电或力学应力敏感的微胶囊的复合材料；在基体中加入微孔结构的泡沫材料；改进的单层隐身涂层；具有光电效应的军服布料在易杀伤部位织人凯芙拉防弹织物等。
　　随着新型多功能材料研究的日趋成熟和它们在现代国防科技中应用的逐渐完善，也必将推动其在民品领域中的广泛推广和发展。